Βασικές CMOS Λογικές οικογένειες (CMOS και Domino)

CMOS Κάθε λογική πύλη αποτελείται από δύο τμήματα

p-MOS δικτύωμα, τοποθετείται μεταξύ τροφοδοσίας και εξόδου. Όταν είναι ενεργό φορτίζει την έξοδο στην τάση τροφοδοσίας με αποτέλεσμα η έξοδος να έχει λογική τιμή "1"

n-MOS δικτύωμα, τοποθετείται μεταξύ εξόδου και γείωσης. Όταν είναι ενεργό αποφορτίζει την έξοδο στην γείωση με αποτέλεσμα η έξοδος να έχει λογική τιμή "0"

Προσοχή Ποτέ δεν πρέπει να είναι ενεργά και το p-MOS και το n-MOS

δίκτυο ταυτόχρονα Σε αυτή την περίπτωση συνδέουμε την γείωση με την πηγή

τροφοδοσίας. Το αποτέλεσμα θα είναι μεγάλο ρεύμα μέσω του κυκλώματος που οδηγεί σε υψηλή κατανάλωση και πιθανή καταστροφή του κυκλώματος

Κατά την αλλαγή της λογικής τιμής υπάρχει περίπτωση "μερικής" (με αυξημένη αντίσταση) σύνδεσης πηγής τροφοδοσίας και γείωση, σε αυτή την περίπτωση το ρεύμα είναι μειωμένο και υπάρχει μόνο για μικρό χρονικό διάστημα οπότε δεν δημιουργούνται προβλήματα

Υπάρχουν λογικές οικογένειες όπου το χρονικό διάστημα δεν είναι περιορισμένο - σε αυτές τις περιπτώσεις πρέπει να εξασφαλίσουμε ότι το διερχόμενο ρεύμα δεν θα δημιουργήσει προβλήματα

Κυκλώματα Τριών Καταστάσεων Μπορούμε να έχουμε και τα δύο τμήματα (n-MOS και p-MOS)

ανενεργά ταυτόχρονα Σε αυτή την περίπτωση στην έξοδο έχουμε μία τρίτη

κατάσταση (υψηλή εμπέδηση - high impendence - hiZ) Σε αυτή την κατάσταση η πύλη δεν επιδρά στην έξοδο

Μπορούμε να συνδέσουμε εξόδους πολλών πυλών ταυτόχρονα εάν δεν έχουμε περισσότερες από μία σε κατάσταση διαφορετική από hiZ

Εάν όλες οι συνδεδεμένες έξοδοι σε κόμβο είναι hiZ η κατάσταση παραμένει σταθερή αλλά είναι ευαίσθητη στον θόρυβο.

Κανόνες Σχεδιασμού για CMOS

Μπορούμε να υλοποιήσουμε μόνο αναστρέφουσες συναρτήσεις (inverting functions), NAND, NOR, NOT κ.τ.λ. Όταν όλες οι είσοδοι είναι λογικό "1" το τμήμα n-MOS

είναι ενεργό και η έξοδος είναι λογικό "0" Όταν όλες οι είσοδοι είναι λογικό "0" το τμήμα p-MOS

είναι ενεργό και η έξοδος είναι λογικό "1"

NOR πύλη n-MOS τμήμα: Εάν έστω και μία είσοδος είναι λογικό

"1" η έξοδος πρέπει να είναι λογικό "0", Κάθε είσοδος οδηγεί την πύλη ενός τρανζίστορ που

συνδέει την έξοδο με την γείωση

p-MOS τμήμα: Εάν όλες οι είσοδοι είναι λογικό "0" η έξοδος πρέπει να είναι λογικό "1", Το τμήμα αποτελείται από τρανζίστορ σε σειρά που

συνδέουν την τροφοδοσία με την έξοδο, κάθε είσοδος οδηγεί την πύλη ενός τρανζίστορ

NAND πύλη n-MOS τμήμα: Εάν όλες οι είσοδοι είναι λογικό "1" η

έξοδος πρέπει να είναι λογικό "0", Το τμήμα αποτελείται από τρανζίστορ σε σειρά που

συνδέουν την γείωση με την έξοδο, κάθε είσοδος οδηγεί την πύλη ενός τρανζίστορ

p-MOS τμήμα: Εάν έστω και μία είσοδος είναι λογικό "0" η έξοδος πρέπει να είναι λογικό "1", Κάθε είσοδος οδηγεί την πύλη ενός τρανζίστορ που

συνδέει την έξοδο με την τροφοδοσία

Γενικοί κανόνες για σειριακά-παράλληλα δικτυώματα (series-parallel networks)

Κανόνες για το n-MOS τμήμα

Έστω ότι έχω τα n-δικτυώματα των συναρτήσεων F' και G' Το δικτύωμα της (F+G)' παράγεται εάν τοποθετήσω

παράλληλα τα υπάρχοντα δικτυώματα Η (F+G)' θα είναι λογικό "0" εάν η F' ή η G' είναι λογικό "0". Επομένως

το n-δικτύωμα της η (F+G)' πρέπει να άγει εάν είτε το n-δικτύωμα της F' είτε το n-δικτύωμα G' άγει

Το δικτύωμα της (FG)' παράγεται εάν τοποθετήσω σε σειρά τα υπάρχοντα δικτυώματα Η (FG)' θα είναι λογικό "1" εάν και η F' και η G' είναι λογικό

"1" . Επομένως το n-δικτύωμα της η (F+G)' πρέπει να άγει εάν και το n-δικτύωμα της F' και το n-δικτύωμα G' άγει

Κανόνες για το p-δικτύωμα Έστω ότι έχω τα p-δικτυώματα των συναρτήσεων F' και G' Το δικτύωμα της (F+G)' παράγεται εάν τοποθετήσω σε σειρά

τα υπάρχοντα δικτυώματα Η (F+G)' θα είναι λογικό "1" εάν και η F' και η G' είναι λογικό "1" .

Επομένως το p-δικτύωμα της η (F+G)' πρέπει να άγει εάν και το p-δικτύωμα της F' και το p-δικτύωμα της G' άγει

Το δικτύωμα της (FG)' παράγεται εάν τοποθετήσω παράλληλα τα υπάρχοντα δικτυώματα Η (FG)' θα είναι λογικό "1" εάν η F' ή η G' είναι λογικό "1". Επομένως

το π-δικτύωμα της η (FG)' πρέπει να άγει εάν είτε το p-δικτύωμα της F' είτε το p-δικτύωμα G' άγει

Παράδειγμα Υλοποιήστε το n-δικτύωμα της ακόλουθης

συνάρτησης

)()( edcba ++⋅+

)()( edcba ++⋅+

)( ba +

)( edc ++

a b

d c e

Εναλλακτική υλοποίηση

)()( edcba ++⋅+

)( ba +

)( edc ++

Διαφέρει Περισσότερη

χωρητικότητα στην έξοδο

Επιθυμητό η χωρητικότητα να είναι στη γείωση ή την τροφοδοσία, όχι στη έξοδο

a b

d c e

Υλοποιήστε το p-δικτύωμα της ακόλουθης συνάρτησης

)()( edcba ++⋅+

)()( edcba ++⋅+

)( ba + )( edc ++

a

b

c

d

e

Υλοποιήστε το n-δικτύωμα της ακόλουθης συνάρτησης

[ ]gfedcba +⋅++⋅+ )()(

cba ⋅+ )(

[ ]gfedcba +⋅++⋅+ )()(

gfed +⋅+ )(

ba +

cfed ⋅+ )( g

ba +

c f

g

ed +

Εύρεση συνάρτησης από σχέδιο σε επίπεδο τρανζίστορ

Σε ποιά συνάρτηση αντιστοιχεί το ακόλουθο n-MOS δικτύωμα;

a

b c e

d

c

d

e

a

b

dc ⋅

a

be

dcb ⋅+

ea

e)( dcba ⋅+⋅

edcba +⋅+⋅ )(

Οι προηγούμενες μεθοδολογίες ισχύουν για σειριακά-παράλληλα δικτυώματα

Το ακόλουθο δικτύωμα δεν ανήκει σε αυτή την κατηγορία αλλά ακολουθώντας τα μονοπάτια του (paths) μπορούμε να βρούμε ένα ισοδύναμο κύκλωμα και την συνάρτηση

e

a

d

c b

c

a

d

b

c

e d e

Ταυτοποίηση n-MOS και p-MOS δικτυώματος

a

b b

a

a a

b b

Για το κύκλωμα έχω

Από το p-MOS δικτύωμα παίρνω

Από το n-MOS δικτύωμα παίρνω

Προσοχή είναι η ίδια συνάρτηση

)()( baba +⋅+

baba ⋅+⋅

babababa

bbabbaaababa

⋅+⋅=+⋅+⋅+

=⋅+⋅+⋅+⋅=+⋅+

00

)()(

Λογική τρανζίστορ διέλευσης (pass-logic)

To Α συνδέεται στο B όταν S=0 (Θα μπορούσα να έχω μόνο το p-MOS ή μόνο το n-MOS αλλά τότε θα υπήρχε πτώση τάσης λόγω τάσης κατωφλίου)

S

S'

A B

Στην γενική περίπτωση θα πρέπει S1=S2=...=SN=0

S1

S1'

A B

S2

S2'

SN

SN'

...

Το προηγούμενο κύκλωμα είναι ισοδύναμο με το

S1

A B

S2 SN

...

S1' S2' SN'

...

Υλοποίηση Πολυπλέκτη και XOR

Στην γενική περίπτωση για να υλοποιήσω πύλη θα πρέπει για κάθε συνδυασμό εισόδων να συνδέω την έξοδο σε μία τιμή

(εάν είναι ασύνδετη η τιμή θα είναι hiZ, υψηλή εμπέδηση)

a

b

b’ F=a.b

Προσοχή η έξοδος μπορεί να επηρεάζει την είσοδο Με χρήση ΝΟΤ στην έξοδο μπορώ να απομονώσω

Εάν ένα μονοπάτι μόνο φορτίζει δεν χρειάζονται n-MOS τρανζίστορ

Αντίστοιχα εάν μόνο αποφορτίζει δεν χρειάζονται p-MOS τρανζίστορ

a

b c

F’ F

Εάν σε μονοπάτι που φορτίζει δεν υπάρχουν τα απαιτούμενα p-MOS τρανζίστορ θα υπάρχει πτώση τάσης στην έξοδο Με p-MOS (ασθενές) που οδηγείται από συμπλήρωμα της

εξόδου έχω αποκατάσταση τάσης

Αντίστοιχα για μονοπάτι που αποφορτίζει χωρίς τα

απαιτούμενα n-MOS

F

a

b c

d

e g F’

Συμπληρωματική λογική με τρανζίστορ διέλευσης

XOR a

b'

b

a'

a

b

b'

a'

Δυναμικά Λογικά Κυκλώματα

Δυναμική λογική CMOS δύο φάσεων

Domino Το κύκλωμα Domino λειτουργεί σε δύο φάσεις Την φάση προφόρτισης - precharge Την φάση εκτίμησης - evaluation Στην φάση προφόρτισης η λειτουργία είναι

ανεξάρτητη της λογικής πύλης που υλοποιείται Στη φάση εκτίμησης υπολογίζεται τιμή έξοδου που

εξαρτάται από την υλοποιούμενη συνάρτηση Προσοχή σε κάθε φάση υπολογισμού μπορούμε να

υπολογίσουμε μόνο μία τιμή. Εάν θέλουμε να υπολογίσουμε και νέα τιμή εξόδου για διαφορετικό συνδυασμό θα πρέπει πρώτα να παρεμβάλουμε μία φάση προφόρτισης

Κύκλωμα Πύλης Domino

Είσοδοι

Εξωτερική Συνάρτηση Εσωτερική

Συνάρτηση

CLK

CLK

n-MOS

δικτύωμα

Αρχή Λειτουργίας Η εσωτερική συνάρτηση είναι αναστρέφουσα

συνάρτηση (inverting function), NAND, NOR, κ.τ.λ.

Η τελική (εξωτερική συνάρτηση) είναι μη αναστρέφουσα (non-inverting), AND, OR κ.τ.λ.

Το τμήμα του κυκλώματος που εξαρτάται από τις εισόδους και παράγει την εσωτερική συνάρτηση είναι n-MOS (δεν υπάρχει αντίστοιχο p-MOS)

Φάση προφόρτισης

CLK="0" To p-MOS τρανζίστορ που οδηγείτε από το CLK φορτίζει

τον κόμβο της εσωτερικής συνάρτησης Το n-MOS τρανζίστορ που οδηγείτε από το CLK

εξασφαλίζει ότι δεν υπάρχει μονοπάτι από την τροφοδοσία στη γείωση κατά τη διάρκεια της προφόρτισης ανεξάρτητα από τις τιμές στη είσοδο

Φάση Εκτίμησης CLK="1" To p-MOS τρανζίστορ που οδηγείται από το CLK είναι

ανενεργό To n-MOS τρανζίστορ που οδηγείται από το CLK είναι

ενεργό Εάν υπάρχει ενεργό μονοπάτι στο n-MOS δικτύωμα ο

κόμβος της εσωτερικής συνάρτησης θα αποφορτιστεί Προσοχή εάν υπάρξει συνδυασμός εισόδων που

αποφορτίζει κανένας μετέπειτα συνδυασμός δεν θα φορτίσει τον κόμβο

Λογική της Domino Πύλης

Δεν χρειάζομαι p-MOS δίκτυο, φορτίζω πάντα ανεξάρτητα από την συνάρτηση κατά την προφόρτιση

Κατά την φάση εκτίμησης εάν η συνάρτηση το απαιτεί αποφορτίζω τον εσωτερικό κόμβο - Εάν όχι έχω κατάσταση hiZ και κρατάω την παλιά τιμή (ό,τι δόθηκε από την προφόρτιση)

Πλεονεκτήματα ΔΕΝ χρειάζομαι p-MOS δικτύωμα Ταχύτερα κυκλώματα

Μειονεκτήματα

Χρειάζομαι σήμα χρονισμού Ευαισθησία στο θόρυβο Προβλήματα διαμοίρασης φορτίου (charge sharing)

Γιατί χρειάζεται η ΝΟΤ(race conditions)

Εάν δεν θέλω να αποφορτίσω τον εσωτερικό κόμβο δεν πρέπει ποτέ να ενεργοποιήσω το n-MOS δικτύωμα κατά τη φάση εκτίμησης Εάν το ενεργοποιήσω και μετά το απενεργοποιήσω η πύλη

θα δει μόνο την ενεργοποίηση

Κανόνας - Η είσοδος γίνεται λογικό "1" μόνο εάν η τελική της τιμή είναι λογικό "1"

Χωρίς ΝΟΤ στο τέλος της προφόρτισης όλες οι έξοδοι θα είναι λογικό "1", χωρίς NOT παραβιάζεται ο κανόνας

Σχεδιασμός DOMINO Από την συνάρτηση εξόδου F γνωρίζω την

εσωτερική συνάρτηση F'. To n-MOS δικτύωμα της Domino πύλης είναι το n-MOS δικτύωμα της CMOS συνάρτησης F'

Για παράδειγμα για τη συνάρτηση

)( dcbaF ⋅+⋅=

Η F' είναι

Με n-δικτύωμα

)(' dcbaF ⋅+⋅=

a

b c

d

Η Domino Πύλη είναι

)( dcbaF ⋅+⋅=

a

b c

d

CLK

CLK

)(' dcbaF ⋅+⋅=

Διαμοιρασμός φορτίου Ένα πρόβλημα που αντιμετωπίζουν τα DOMINO κυκλώματα είναι ο

διαμοιρασμός φορτίου Για παράδειγμα στην προηγούμενη πύλη ας θεωρήσουμε πυκνωτή μεταξύ

των τρανζίστορ που οδηγούνται από τις πύλες c και d Με είσοδο abcd=0001 πυκνωτής αποφορτίζεται και εάν η επόμενη

είσοδος είναι abcd=1010 το φορτίο στον κόμβο της εσωτερικής συνάρτηση διαμοιράζεται και άρα έχουμε πτώση τάσης χωρίς να υπάρχει μονοπάτι αποφόρτισης

Η πτώση τάσης μπορεί να οδηγήσει σε αλλαγή λογικής τιμής Μπορεί να αντιμετωπιστεί είτε με ανάδραση από την έξοδο είτε με

επιπλέoν τρανζίστορ φόρτισης

Διαμοιρασμός φορτίου

Clk Επιπλέoν Τρανζίστορ Φόρτισης

d

a

b

Clk

c Clk

Τρανζίστορ Ανάδρασης

Domino Πολλαπλών εξόδων (Multiple-Output Domino)

Μπορούμε να υλοποιούμε από κοινό δικτύωμα περισσότερες από μία Domino λογικές πύλες.

Για παράδειγμα εάν χρησιμοποιήσουμε το κόμβο μεταξύ των τρανζίστορ που οδηγούνται από τις πύλες c και d υπολοποιούμε την συνάρτηση G=d+cb

Domino Πολλαπλών εξόδων (Multiple-Output Domino)

Clk

d

a

b

Clk

c Clk

Ψευδο-nMOS πύλες ( pseudo-nMOS)

Κρατάω μόνο τον n-Δικτύωμα Το p-MOS δικτύωμα αντικαθίσταται από ένα p-MOS

τρανζίστορ που λειτουργεί σαν αντίσταση Η πύλη στη γείωση Συνήθως μεγαλύτερο μήκος από πλάτος για περιορισμό

του ρεύματος

Παράδειγμα )( dcbaF ⋅+⋅=

a

b c

d

DCVS Εάν υπάρχει η συμπληρωματική συνάρτηση το p-

MOS δικτύωμα μπορεί να αντικατασταθεί από ένα p-MOS τρανζίστορ που οδηγείται από την συμπληρωματική

Για παράδειγμα η συνάρτηση

εάν υπάρχει η

)( dcbaF ⋅+⋅=

)(' dcbaF ⋅+⋅=

Μπορεί να υλοποιηθεί ως

F'

b c

d

a F

Κατά αντίστοιχο τρόπο μπορεί να υλοποιηθεί η F' εάν υπάρχει η F

)()(' dcbadcbaF +⋅+=⋅+⋅=

F'

b

c d a

F

Ταυτόχρονη Υλοποίηση

b c

d

a

F'

b

c d a

F

Το n-δικτύωμα της F' είναι το ίδιο με το p-δικτύωμα της F.

Τα p-MOS τρανζίστορς έχουν αντικατασταθεί από n-MOS και οι είσοδοι από τα συμπληρώματα τους.